KR20160060693A - Intermediate temperature sodium-metal halide battery - Google Patents

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Abstract

중간 온도 용융된 나트륨-금속 할라이드 재충전 가능한 배터리는 종래의 지브라 배터리 시스템과 비교하여 상당히 낮은 온도에서 배터리가 작동할 수 있게 하고 매우 전도성이 큰 NaSICON 고체 전해질 막을 활용할 수 있게 하는 상대적으로 낮은 녹는점을 갖는 나트륨 할로알루미네이트 염의 용융된 공융 혼합물을 활용한다. 양극은 NaX 및 MX의 혼합물을 포함하며, 여기서 X는 Cl, Br 및 I에서 선택된 할로겐이고 M은 Ni, Fe 및 Zn에서 선택된 금속이다. 양극은 0 <δ< 4, X' 및 X"은 Cl, Br 및 I에서 선택된 다른 할로겐인 화학식 NaAlX'4 - δX"δ로 표현될 수 있는 두 개 이상의 염을 포함하는 혼합 용융된 염 양극 전해질 중에 배치된다. 양극은 1:1 내지 3:1의 범위의 NaX : NaAlX'4 - δX"δ 몰 비로 첨가된 추가적인 NaX를 포함할 수 있다.The intermediate temperature molten sodium-metal halide rechargeable battery has a relatively low melting point that allows the battery to operate at significantly lower temperatures as compared to conventional zebra battery systems and to utilize highly conductive NaSICON solid electrolyte membranes Utilize a molten eutectic mixture of sodium haloaluminate salts. The anode comprises a mixture of NaX and MX, wherein X is a halogen selected from Cl, Br and I and M is a metal selected from Ni, Fe and Zn. The anode 0 <δ <4, X '"4 , and X is Cl, Br, and selected other halogens of the formula NaAlX in I' - δ X" mixed molten salt containing two or more salts, which may be represented as δ anode Are disposed in the electrolyte. The anode may contain additional NaX added in a molar ratio of NaX: NaAlX ' 4 - delta X " delta ranging from 1: 1 to 3: 1.

Description

중온 나트륨-금속 할라이드 배터리{INTERMEDIATE TEMPERATURE SODIUM-METAL HALIDE BATTERY}INTERMEDIATE TEMPERATURE SODIUM-METAL HALIDE BATTERY [0002]

관련 출원Related application

본 출원은 발명의 명칭이 "중온 나트륨-니켈 할라이드 배터리"인 2013년 9월 25일 출원된 미국 특허 가출원 61/882,516; 발명의 명칭이 "중온 나트륨-니켈 할라이드 배터리"인 2013년 10월 16일 출원된 미국 특허 가출원 61/891,744; 및 발명의 명칭이 "중온 나트륨-금속 할라이드 배터리"인 2013년 11월 1일 출원된 미국 특허 가출원 61/898,617을 기초로 우선권을 주장한다. 상기 출원은 본원에 참고로 포함된다.This application claims priority from U.S. Provisional Patent Applications 61 / 882,516 filed on September 25, 2013 entitled " Mesophilic Sodium Nickel Halide Battery " U.S. Provisional Patent Application 61 / 891,744, filed October 16, 2013, entitled " mesophilic sodium-nickel halide battery " And U.S. Provisional Patent Application Serial No. 61 / 898,617 filed on November 1, 2013 entitled " mesophilic sodium-metal halide battery ". This application is incorporated herein by reference.

본 발명의 분야Field of the Invention

공개된 발명은 중온, 용융된 나트륨-금속 할라이드 배터리에 대한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 종래의 나트륨/금속 클로라이드 지브라(ZEBRA) 배터리 시스템에 상응하나 종래의 지브라 배터리 시스템과 비교하여 상당히 낮은 온도에서 배터리가 작동할 수 있게 하는 상대적으로 낮은 녹는점을 갖는 나트륨 할로알루미네이트 염의 용융된 공융 혼합물을 활용하는 용융된 나트륨, 금속 할라이드 배터리에 대한 것이다.The disclosed invention is directed to a mild, molten sodium-metal halide battery. More particularly, the present invention relates to a sodium / metal chloride zebra battery system that is comparable to a conventional sodium / metal chloride zebra battery system, but which has a relatively low melting point that allows the battery to operate at significantly lower temperatures Metal halide batteries utilizing molten eutectic mixtures of halosilicate salts.

배터리는 여러 용도로 전기 에너지를 저장하고 방출하는 데 사용되는 공지된 장치이다. 전기 에너지를 생산하기 위해서, 배터리는 전형적으로 화학 에너지를 직접적으로 전기 에너지로 전환한다. 일반적으로, 하나의 배터리는 하나 이상의 갈바닉 전지를 포함하는데, 여기서 각 전지는 외부 회로를 통하는 것을 제외하고는 전기적으로 단절된 두 개의 반쪽-전지(half-cell)로 만들어진다. 방전되는 동안, 전지의 양극에서 전기화학적 환원이 발생하고, 동시에 전지의 음극에서 전기화학적 산화가 발생한다. 전지 안에서 양극 및 음극이 서로 물리적으로 닿지 않지만, 이들은 일반적으로 고체 또는 액체 상태, 또는 그의 조합 중 어느 하나가 될 수 있는 하나 이상의 이온 전도성 및 전기 절연성의 전해질(들)로 화학적으로 연결되어 있다. 외부 회로, 또는 부하가 음극에 연결된 단자와 연결되고 양극에 연결된 단자와 연결될 때, 이온이 전해질을 통해 이동하는 동안, 배터리는 외부 회로를 통해 전자를 움직인다.BACKGROUND OF THE INVENTION A battery is a known device used to store and discharge electrical energy for many uses. To produce electrical energy, a battery typically converts chemical energy directly into electrical energy. Generally, a battery includes one or more galvanic cells, wherein each cell is made of two electrically disconnected half-cells except through an external circuit. During discharging, electrochemical reduction occurs at the anode of the cell, and at the same time, electrochemical oxidation occurs at the cathode of the cell. Although the positive and negative electrodes do not physically touch one another in the cell, they are chemically linked to one or more ionic conducting and electrically insulating electrolyte (s), which can be either a solid or liquid state, or a combination thereof. When an external circuit or load is connected to a terminal connected to the cathode and connected to a terminal connected to the anode, the battery moves the electrons through the external circuit while the ions move through the electrolyte.

배터리는 다양한 방식으로 분류될 수 있다. 예를 들어, 오직 한번만 완전히 방전되는 배터리는 보통 일차 배터리 또는 일차 전지라고 불린다. 그에 반해서, 한 번을 초과하여 방전되고 재충전될 수 있는 배터리는 보통 이차 배터리 또는 이차 전지라고 불린다. 여러 번 충전 및 방전되는 전지 또는 배터리의 능력은 각 충전 및 방전 사이클의 패러데이 효율에 좌우된다.The battery can be classified in various ways. For example, a battery that is only fully discharged once is often referred to as a primary battery or a primary battery. On the other hand, a battery that can be discharged and recharged more than once is commonly referred to as a secondary battery or a secondary battery. The ability of a battery or battery to charge and discharge multiple times depends on the Faraday efficiency of each charge and discharge cycle.

나트륨에 기반한 재충전 가능한 배터리는 다양한 물질 및 디자인을 포함할 수 있는데, 높은 패러데이 효율을 필요로 하는 나트륨 배터리에는, 모두는 아닐지라도 대부분, 고체 세라믹 일차 전해질 막과 같은 고체 일차 전해질 세퍼레이터가 사용된다. 고체 세라믹 일차 전해질 막을 사용하는 것의 주요한 장점은 생성된 전지의 패러데이 효율이 100 %에 접근한다는 것이다. 실제로, 거의 모든 다른 전지 디자인에서, 전지 내 전극 용액은 시간이 지남에 따라 섞일 수 있게 되고, 그렇게 함으로써, 패러데이 효율의 감소 및 배터리 용량의 손실이 야기된다.Sodium-based rechargeable batteries can include a variety of materials and designs. Most, if not all, sodium primary batteries that require high Faraday efficiency, solid primary electrolyte separators such as solid ceramic primary electrolyte membranes are used. A major advantage of using a solid ceramic primary electrolyte membrane is that the Faraday efficiency of the resulting cell approaches 100%. Indeed, in virtually all other battery designs, the electrode solution in the cell becomes able to mix over time, thereby causing loss of Faraday efficiency and loss of battery capacity.

높은 패러데이 효율을 필요로 하는 나트륨 배터리에서 사용되는 일차 전해질 세퍼레이터는 보통 이온 전도성 중합체, 이온 전도성 액체 또는 겔로 침투된 다공성 물질, 또는 고밀도 세라믹으로 이루어진다. 이와 관련하여, 현재 상업적으로 이용가능한, 모두는 아닐지라도 대부분의 재충전 가능한 나트륨 배터리는 용융된 나트륨 금속 음극, 나트륨 β"-알루미나 세라믹 전해질 세퍼레이터, 및 용융된 양극으로 구성된다. 공지된 용융된 양극의 하나로 흔히 지브라 전지라 불리는 용융된 NiCl2, NaCl 및 NaAlCl4가 있다. 지브라 전지는 보통 270 ℃ 내지 350 ℃의 온도 범위에서 작동한다. 또 다른 공지된 용융된 양극으로 흔히 나트륨/황 전지라 불리는 용융된 황과 탄소의 복합체가 있다.Primary electrolytic separators used in sodium batteries that require high Faraday efficiency usually consist of ionic conductive polymers, ionic conductive liquids or gel-permeable porous materials, or high-density ceramics. In this regard, most rechargeable sodium batteries, which are currently commercially available, although not all, consist of a molten sodium metal cathode, a sodium beta "-alumina ceramic electrolyte separator, and a molten anode. One is the molten NiCl 2 , NaCl and NaAlCl 4 , commonly referred to as zebra wares. Zebra cells typically operate in the temperature range of 270 ° C. to 350 ° C. Another known molten anode is the melting, often referred to as sodium / sulfur, There is a complex of sulfur and carbon.

이러한 종래의 고온 나트륨-기반의 재충전 가능한 배터리가 상대적으로 높은 비에너지 밀도 및 오직 보통의 전력 밀도를 가지기 때문에, 이런 재충전 가능한 배터리는, 고정식 저장고 및 무정 전원 장치와 같이, 전형적으로 높은 전력 밀도에 처하지 않는 높은 비에너지 밀도를 필요로 하는 특정 특수한 적용에 전형적으로 사용된다.Because these conventional high temperature sodium-based rechargeable batteries have a relatively high specific energy density and only a moderate power density, such rechargeable batteries typically suffer from high power densities, such as fixed reservoirs and amorphous power supplies Typically used for certain specific applications requiring high non-energy densities.

일부 종래의 나트륨-기반 재충전 가능한 배터리와 관련된 유용한 특징에도 불구하고, 이런 배터리는 중대한 단점을 가질 수 있다. 한 예에서, 나트륨 β"-알루미나 세라믹 전해질 세퍼레이터가 약 270 ℃ 초과의 온도에서 전형적으로 더 전도성이고 용융된 나트륨에 의해 더 잘 젖기 때문에 및(또는) 용융된 양극은 전형적으로 용융된 상태를 유지하기 위해서 상대적으로 높은 온도 (예를 들어, 약 180 ℃ 초과의 온도)를 필요로 하기 때문에, 많은 종래의 나트륨-기반 재충전 가능한 배터리는 약 270 ℃보다 높은 온도에서 작동하고 중대한 열 관리 문제 및 열 봉인 쟁점을 겪게 된다. 예를 들어, 일부 나트륨-기반 재충전 가능한 배터리는 배터리로부터 열을 방산하는데 또는 상대적으로 높은 작동 온도에서 음극 및 양극을 유지하는데 어려움이 있을 수 있다. 또 다른 예에서, 일부 나트륨-기반 배터리의 상대적으로 높은 작동 온도는 중대한 안전성 쟁점을 야기할 수 있다. 또 다른 예에서, 일부 나트륨-기반 배터리의 상대적으로 높은 작동 온도는 그의 구성요소가, 그러한 높은 온도에 저항성이 있고 작동 가능할 것을 요구한다. 따라서, 이러한 구성요소는 상대적으로 비쌀 수 있다. 또 다른 예에서, 일부 종래의 나트륨-기반 배터리를 상대적으로 높은 작동 온도로 가열하는데에 상대적으로 많은 양의 에너지가 요구될 수 있기 때문에, 이런 배터리는 작동하는데 비용이 많이 들고 에너지 비효율적일 수 있다.Despite useful features associated with some conventional sodium-based rechargeable batteries, such batteries can have significant drawbacks. In one example, because the sodium &bgr; "-alumina ceramic electrolyte separator is typically more conductive at temperatures above about 270 DEG C and is better wetted by molten sodium and / or the molten anode typically retains the molten state Many of the conventional sodium-based rechargeable batteries operate at temperatures higher than about 270 DEG C and require significant heat management and thermal sealing issues (e.g., temperatures above about &lt; RTI ID = 0.0 &gt; Some rechargeable batteries may have difficulty in dissipating heat from the battery or maintaining the cathode and anode at relatively high operating temperatures. In another example, some sodium-based rechargeable batteries The relatively high operating temperature of the battery can cause significant safety issues. In another example, The relatively high operating temperature of some sodium-based batteries requires that its components be resistant to such high temperatures and be operable. Thus, these components can be relatively expensive. Since a relatively large amount of energy may be required to heat a sodium-based battery to a relatively high operating temperature, such a battery can be expensive to operate and energy inefficient.

따라서, 용융된 나트륨-기반 재충전 가능한 배터리를 이용할 수 있지만, 이러한 배터리에 대한, 앞서 언급된 것들을 포함한 난제 또한 존재하였다. 따라서, 특정 종래의 고온 용융된 나트륨-기반 재충전 가능한 배터리를 보강하거나 또는 심지어 약 220 ℃ 미만, 보다 바람직하게는 약 180 ℃ 미만의 온도에서 작동 가능한 다른 용융된 나트륨-기반 재충전 가능한 배터리로 대체하는 것은 관련 기술분야의 진보가 될 것이다.Thus, although molten sodium-based rechargeable batteries can be used, there were also challenges for these batteries, including those mentioned above. Thus, replacing certain conventional hot-melt sodium-based rechargeable batteries with other molten sodium-based rechargeable batteries that can reinforce or even operate at temperatures below about 220 ° C, and more preferably below about 180 ° C It will be an advancement in related technology field.

본 발명의 개요Summary of the Invention

현재 공개된 발명은 중온, 용융된 나트륨-금속 할라이드 재충전 가능한 배터리에 대한 것이다. 공개된 용융된 나트륨-금속 할라이드 배터리는 종래의 나트륨-금속 클로라이드 지브라 배터리 시스템에 상응하지만, 공개된 배터리는 종래의 지브라 배터리 시스템과 비교하여 상당히 낮은 온도에서 배터리가 작동할 수 있게 하는 상대적으로 낮은 녹는점을 갖는 나트륨 할로알루미네이트 염의 용융된 공융 혼합물을 활용한다.The presently disclosed invention is directed to a mild, molten sodium-metal halide rechargeable battery. Although the disclosed molten sodium-metal halide battery corresponds to a conventional sodium-metal chloride zebra battery system, the disclosed battery has a relatively low melting point which allows the battery to operate at a significantly lower temperature compared to conventional zebra battery systems Utilizing a molten eutectic mixture of sodium haloaluminate salts having a &lt; RTI ID = 0.0 &gt;

공개된 발명의 한 비제한적인 실시양태에서는, 재충전 가능한 나트륨 배터리는 용융 상태의 금속 나트륨을 포함하는 음극을 포함한다. 양극은 NaX 및 MX의 혼합물을 포함하는데, 여기서 X는 Cl, Br 및 I에서 선택된 할로겐이고, M은 Ni, Fe 및 Zn에서 선택된 금속이다. 양극은 0 <δ< 4, X' 및 X"은 Cl, Br 및 I에서 선택된 다른 할로겐인 화학식 NaAlX'4 - δX"δ로 표현될 수 있는 두 개 이상의 염을 포함하는 혼합 용융된 염 양극 전해질 중에 배치된다. 나트륨 이온 전도성 고체 전해질은 음극과 양극을 분리한다.In one non-limiting embodiment of the disclosed invention, the rechargeable sodium battery comprises a negative electrode comprising metal sodium in a molten state. The anode comprises a mixture of NaX and MX, wherein X is a halogen selected from Cl, Br and I, and M is a metal selected from Ni, Fe and Zn. The anode 0 <δ <4, X '"4 , and X is Cl, Br, and selected other halogens of the formula NaAlX in I' - δ X" mixed molten salt containing two or more salts, which may be represented as δ anode Are disposed in the electrolyte. A sodium ion conductive solid electrolyte separates the cathode and the anode.

혼합 용융된 염 양극 전해질은 다양한 몰 비에서 일반식 NaAlX'4 및 NaAlX"4를 갖는 두 개 이상의 염을 포함하는데, 여기서 X' 및 X"은 Cl, Br 및 I에서 선택된 다른 할로겐이다. 한 비제한적인 실시양태에서, NaAlX'4 대 NaAlX"4의 몰 비는 9:1 내지 1:9의 범위 내이고, 대응되는 δ값이 0.4 내지 3.6이다.Mixed molten salt The anodic electrolytes contain two or more salts having the general formula NaAlX ' 4 and NaAlX " 4 at various molar ratios, wherein X' and X" are other halogens selected from Cl, Br and I. 9 is within a range, corresponding to the value of δ of 0.4 to 3.6: In a non-limiting embodiment, NaAlX '4 dae NaAlX "molar ratio of 4 to 9: 1 to 1.

양극은 혼합 용융된 염 양극 전해질에 1:1 내지 3:1의 범위의 NaX : NaAlX'4-δX"δ 몰 비로 첨가된 추가적인 NaX 또는 NaX 화합물의 혼합물을 포함한다. 초과의 NaX는 양극 전해질을 매우 염기성으로 만든다. 전지 작동 온도에서, 양극 및 혼합 용융된 염 양극 전해질은 용융된 액체 또는 두 가지 상의 혼합물이며 여기서 혼합 용융된 염 양극 전해질은 대개 액상이고 추가적인 NaX 또는 NaX 화합물의 혼합물은 고체 상이다.The anode comprises a mixture of additional NaX or NaX compounds added to the mixed molten salt anodic electrolytes in a molar ratio of NaX: NaAlX ' 4-delta X " delta ranging from 1: 1 to 3: At the cell operating temperature, the anode and the mixed molten salt anodic electrolyte is a molten liquid or a mixture of two phases wherein the mixed molten salt anodic electrolyte is usually liquid and the mixture of additional NaX or NaX compounds is a solid phase to be.

한 비제한적인 실시양태에서, 용융된 염 양극 전해질은 NaAlBr2 . 8I1 .2를 포함한다.In one non-limiting embodiment, the molten salt bipolar electrolyte is NaAlBr 2 . 8 I 1 .2 .

한 비제한적인 실시양태에서, NaX는 NaBr을 포함한다.In one non-limiting embodiment, NaX comprises NaBr.

하나의 비제한적인 실시양태에서, MX는 NiBr을 포함한다.In one non-limiting embodiment, MX comprises NiBr.

하나의 비제한적인 실시양태에서, 용융된 염 양극 전해질은 NaAlBr2 . 8I1 .2를 포함하고, NaX는 NaBr을 포함하며, MX는 NiBr을 포함한다.In one non-limiting embodiment, the molten salt a bipolar electrolyte comprises NaAlBr 2 . 8 I 1 .2 , NaX contains NaBr, and MX contains NiBr.

하나의 비제한적인 실시양태에서, 나트륨 이온 전도성 고체 전해질은 NaSICON 전해질 물질을 포함한다. NaSICON 전해질 물질은 전지 작동 온도에서 높은 나트륨 전도도를 갖는다.In one non-limiting embodiment, the sodium ion conductive solid electrolyte comprises a NaSICON electrolyte material. NaSICON electrolyte materials have a high sodium conductivity at battery operating temperatures.

한 비제한적인 실시양태에서, 배터리는 160 ℃ 내지 220 ℃의 범위의 온도에서 작동한다.In one non-limiting embodiment, the battery operates at a temperature in the range of 160 캜 to 220 캜.

공개된 발명의 한 비제한적인 실시양태에서, 재충전 가능한 나트륨 배터리는 용융 상태의 금속 나트륨을 포함하는 음극을 포함한다. 양극은 NaX 및 MX의 혼합물을 포함하고, 여기서 X는 Cl, Br 및 I에서 선택된 할로겐이고 M은 Ni, Fe 및 Zn에서 선택된 금속이다. 양극은 0 <δ< 4, 0 <ω< 4 및 0 <δ+ω< 4이고, X', X" 및 X'"은 Cl, Br 및 I에서 선택된 세 개의 다른 할로겐인 화학식 NaAlX'4 -δ- ωX"δX'"ω로 표현될 수 있는 세 개 이상의 염을 포함하는 혼합 용융된 염 양극 전해질 중에 배치된다. 나트륨 이온 전도성 고체 전해질은 음극 및 양극을 분리한다.In one non-limiting embodiment of the disclosed invention, the rechargeable sodium battery comprises a negative electrode comprising metal sodium in a molten state. The anode comprises a mixture of NaX and MX, wherein X is a halogen selected from Cl, Br and I and M is a metal selected from Ni, Fe and Zn. The anode 0 <δ <4, 0 < ω <4 and 0 <δ + ω <4 a, X ', X "and X'" are Cl, Br and I formula NaAlX 'of three different halogen selected from 4 -隆 - ω X " δ X '" ω . The mixed molten salt is disposed in the anodic electrolytes. A sodium ion conductive solid electrolyte separates the cathode and the anode.

혼합 용융된 염 양극 전해질은 다양한 몰 비에서 NaAlCl4, NaAlBr4 및 NaAlI4를 포함한다.Mixed molten salt The anodic electrolytes contain NaAlCl 4 , NaAlBr 4 and NaAlI 4 at various molar ratios.

양극은 혼합 용융된 염 양극 전해질에 1:1 내지 3:1의 범위의 NaX : NaAlX'4-δ-ωX"δX'"ω 몰 비로 첨가된 추가적인 NaX 또는 NaX 화합물의 혼합물을 포함한다. 초과의 NaX는 양극 전해질을 매우 염기성으로 만든다. 전지 작동 온도에서, 양극 및 혼합 용융된 염 양극 전해질은 용융된 액체 또는 두 개의 상의 혼합물이고 여기서 혼합 용융된 염 양극 전해질은 대개 액상이고 추가적인 NaX 또는 NaX 화합물의 혼합물은 고체 상이다.The anode comprises a mixture of additional NaX or NaX compounds added to the mixed molten salt anodic electrolytes in a molar ratio of NaX: NaAlX'4 -delta-omega X " delta X '" o ranging from 1: 1 to 3: Excess NaX makes the bipolar electrolyte very basic. At the cell operating temperature, the anode and the mixed molten salt anodic electrolyte is a molten liquid or a mixture of two phases, wherein the mixed molten salt anodic electrolyte is usually liquid and the mixture of additional NaX or NaX compounds is solid.

한 비제한적인 실시양태에서, NaX는 NaBr을 포함한다.In one non-limiting embodiment, NaX comprises NaBr.

하나의 비제한적인 실시양태에서, MX는 NiBr을 포함한다.In one non-limiting embodiment, MX comprises NiBr.

하나의 비제한적인 실시양태에서, 나트륨 이온 전도성 고체 전해질은 NaSICON 전해질 물질을 포함한다. NaSICON 전해질 물질은 전지 작동 온도에서 높은 나트륨 전도도를 갖는다.In one non-limiting embodiment, the sodium ion conductive solid electrolyte comprises a NaSICON electrolyte material. NaSICON electrolyte materials have a high sodium conductivity at battery operating temperatures.

한 비제한적인 실시양태에서, 배터리는 160 ℃ 내지 220 ℃의 범위의 온도에서 작동한다.In one non-limiting embodiment, the battery operates at a temperature in the range of 160 캜 to 220 캜.

본 발명의 위에서 언급한 및 다른 특징부 및 장점이 얻어지는 방식을 쉽게 이해할 수 있도록, 위에서 간단히 기술한 본 발명을 첨부된 도면에 나타낸 그의 특정한 실시양태를 참고로 하여 보다 구체적으로 설명할 것이다. 이러한 도면은 본 발명의 일부 전형적인 실시양태만을 나타내고, 따라서 그 범주를 제한하는 것으로 여겨져서는 안 된다는 것을 이해하면서, 본 발명을 첨부된 도면의 사용을 통해 추가적인 구체성 및 상세함으로 기술하고 설명할 것이다:
도 1은 전지가 방전되는 과정에 있는, 용융된 나트륨 이차 전지의 대표적 실시양태의 개략도를 나타낸다.
도 2는 전지가 재충전되는 과정에 있는, 용융된 나트륨 이차 전지의 대표적 실시양태의 개략도를 나타낸다.
도 3은 185 ℃에서 작동했을 때 과량의 NaBr을 함유하는 7:3 NaAlBr4:NaAlI4 (35:35:15:15 NaBr:AlBr3:NaI:AlI3 ~ NaAlBr2 . 8I1 . 2)의 혼합물을 포함하는 양극 전해질에서 나트륨/니켈 브로마이드 전지의 사이클링 거동을 보여준다.
도 4는 196.6 hr에서의 임의적으로 택해진 사이클에서 도 3에서 보고된 전지의 충전/방전 곡선의 상세사항을 보여준다.
도 5는 그것이 더 높은 상태의 충전 및 더 높은 깊이의 방전에서 작동되었다는 것을 제외하고는 도 3에 관하여 보고된 것과 같은 방식으로 구성된 이차 나트륨/니켈 브로마이드 전지의 사이클링 거동을 보여준다.
In order that the manner in which the above-recited and other features and advantages of the present invention may be obtained will be readily apparent, the invention briefly described above will be described more specifically with reference to specific embodiments thereof, which are illustrated in the accompanying drawings. The present invention will now be described and explained with additional specificity and detail through the use of the accompanying drawings, with the understanding that this drawing depicts only some exemplary embodiments of the invention and, therefore, should not be construed as limiting its scope;
Figure 1 shows a schematic diagram of an exemplary embodiment of a molten sodium secondary battery in the process of discharging the battery.
Figure 2 shows a schematic diagram of an exemplary embodiment of a molten sodium secondary battery in the process of recharging the battery.
Figure 3 when operating at 185 7 containing an excess of NaBr: 3 NaAlBr 4: NaAlI 4 (35: 35: 15: 15 NaBr: AlBr 3: NaI:.. AlI 3 ~ NaAlBr 2 8 I 1 2) &Lt; / RTI &gt; shows the cycling behavior of a sodium / nickel bromide cell in a positive electrode electrolyte comprising a mixture of &lt; RTI ID = 0.0 &gt;
Figure 4 shows the charge / discharge curve details of the battery reported in Figure 3 at an arbitrarily selected cycle at 196.6 hr.
Figure 5 shows the cycling behavior of a secondary sodium / nickel bromide cell constructed in the same manner as reported with respect to Figure 3, except that it was operated at a higher state of charge and a higher depth of discharge.

본 명세서에 걸쳐 언급된 "한 실시양태", "하나의 실시양태" 또는 유사한 표현은 실시양태와 관련하여 기재된 특정한 특징부, 구조 또는 특징이 본 발명의 하나 이상의 실시양태에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서에 걸쳐 문구 "한 실시양태에서", "하나의 실시양태에서" 및 유사한 표현의 언급은 모두 동일한 실시양태를 가리킬 수도 있지만 반드시 그렇지는 않다. 부가적으로, 다음의 설명은 기재된 발명의 다양한 구성요소 및 측면의 여러 실시양태 및 예를 가리키지만, 모든 기재된 실시양태 및 실시예는, 모든 점에 있어서, 어떤 방식으로든 제한이 아닌 단지 예시를 위한 것으로 여겨져야 한다.Reference throughout this specification to " one embodiment, "" one embodiment," or similar language means that a particular feature, structure, or characteristic described in connection with the embodiment is included in at least one embodiment of the invention. Thus, throughout this specification, the phrases "in one embodiment "," in one embodiment ", and similar expressions may all refer to the same embodiment but are not necessarily so. Additionally, although the following description refers to various embodiments and aspects of various elements and aspects of the invention described, all described embodiments and examples are to be considered in all respects only illustrative and not restrictive in any way. Should be considered for.

또한, 본 발명의 기재된 특징부, 구조 또는 특징은 하나 이상의 실시양태에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다. 하기 설명에서, 본 발명의 실시양태의 철저한 이해를 제공하기 위해, 적합한 나트륨 음극, 양극 물질, 액체 양극 전해질 용액, 나트륨 이온 전도성 전해질 막 등의 예와 같은 여러 구체적인 상세사항이 제공된다. 그러나 관련 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 구체적인 세부 사항 중의 하나 이상이 없이, 또는 다른 방법, 구성요소, 물질 등과 함께 본 발명이 실시될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 다른 예에서, 널리 공지된 구조, 물질 또는 작동은 본 발명의 측면을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 나타내지 않거나 상세히 기재하지 않았다.Furthermore, the described features, structures, or characteristics of the present invention may be combined in any suitable manner in one or more embodiments. In the following description, numerous specific details are provided, such as examples of suitable sodium cathodes, cathode materials, liquid anodic electrolyte solutions, sodium ion conductive electrolyte membranes, etc., in order to provide a thorough understanding of embodiments of the present invention. However, those skilled in the art will recognize that the invention may be practiced without one or more of the specific details, or with other methods, components, materials, and so on. In other instances, well-known structures, materials, or operations have not been shown or described in detail to avoid obscuring aspects of the present invention.

상기한 바와 같이, 이차 전지는 방전 및 재충전될 수 있고 본 명세서는 두 상태 모두에 대한 전지 배열 및 방법을 기술한다. 다양한 형태의 용어 "재충전"이 제2 충전을 의미하지만, 관련분야의 기술자는 재충전에 대한 논의가 제1 또는 최초 충전에 대해 유효하고 적용 가능하며, 그 반대의 경우도 그러하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 명세서의 목적상, 용어 "재충전", "재충전된" 및 "재충전 가능한"은 각각 용어 "충전", "충전된" 및 "충전 가능한"과 호환 가능할 것이다.As described above, the secondary battery can be discharged and recharged, and this specification describes a battery arrangement and method for both states. While various forms of the term "recharge" refer to a second charge, those skilled in the relevant art will understand that the discussion of recharge is valid and applicable for the first or initial charge, and vice versa. Thus, for purposes of this disclosure, the terms "refilled "," refilled ", and "refillable" will each be compatible with the terms "refilled "," refilled &

공개된 발명은 높은 온도(>280 ℃)에서 작동하는 종래의 나트륨/금속 클로라이드 지브라 배터리 시스템과 비교하여 상대적으로 낮은 온도(<220 ℃)에서 작동하는 나트륨/금속 할라이드 용융된 염 전해질 배터리에 관한 것이다. 공개된 나트륨/금속 할라이드 배터리는 액체 나트륨, 양극으로부터 음극을 분리하기 위한 NaSICON 고체 전해질 막으로 구성된 음극, 불용성 전이 금속 할라이드, 바람직하게는 금속 브로마이드 (NiBr2 또는 FeBr2 또는 ZnBr2 또는 이러한 브로마이드의 혼합)로 구성된 양극을 사용한다. 공개된 배터리와 종래의 지브라 배터리 시스템 간의 또 다른 주요한 차이는, 양극 부분에서 나트륨 테트라클로로알루미네이트 (NaAlCl4)의 이차 전해질을 포함하는 나트륨/금속 클로라이드 전지와는 달리, 현재 공개된 발명은 나트륨 할로알루미네이트 염의 용융된 공융 혼합물을 사용한다.The disclosed invention relates to a sodium / metal halide fused salt electrolyte battery operating at a relatively low temperature (&lt; 220 [deg.] C) compared to conventional sodium / metal chloride zebra battery systems operating at high temperature . Published sodium / metal halide battery negative electrode composed of NaSICON solid electrolyte membrane to separate the anode from the liquid sodium anode, an insoluble transition metal halide, preferably a metal bromide (NiBr 2 or FeBr 2 or ZnBr 2 or a mixture of such bromide ) Is used. Another major difference between an open battery and a conventional Zebra battery system is that unlike the sodium / metal chloride cell, which includes a secondary electrolyte of sodium tetrachloroaluminate (NaAlCl 4 ) in the anode portion, A molten eutectic mixture of an aluminate salt is used.

나트륨 할로알루미네이트 염은 나트륨 클로로알루미네이트(NaAlCl4), 나트륨 테트라브로모알루미네이트(NaAlBr4) 및 나트륨 테트라아이오도알루미네이트(NaAlI4)에서 선택된다. 지정의 목적으로, 본원에서 공개된 두 화합물 공융 혼합물의 화학식은 X' 및 X"이 Cl, Br 및 I에서 선택된 두 개의 다른 할로겐이고, 0 <δ< 4인 NaAlX'4-δX"δ로 표현될 수 있다. 지정의 목적으로, 본원에서 공개된 세 화합물 공융 혼합물의 화학식은 X', X" 및 X'"이 Cl, Br 및 I에서 선택된 세 개의 다른 할로겐이고, 0 <δ< 4, 0 <ω< 4 및 0 <δ+ω< 4인 NaAlX'4 -δ- ωX"δX'"ω로 표현될 수 있다.The sodium haloaluminate salt is selected from sodium chloroaluminate (NaAlCl 4 ), sodium tetrabromoaluminate (NaAlBr 4 ) and sodium tetraiodoaluminate (NaAlI 4 ). For the purpose of specifying the formula of the two compounds eutectic mixture disclosed herein, X a 'and X "are Cl, and two different halogen selected from Br and I, 0 <δ <4 of NaAlX" 4-δ X Can be expressed. For the purposes of this specification, the chemical formulas of the three compound eutectic mixtures disclosed herein are such that X ', X "and X''' are three different halogens selected from Cl, Br and I and 0 <δ <4, 0 < And NaAlX ' 4 - ? - X " ? X'" ? Where 0 <? +? <4.

본원에서 공개된 나트륨 할로알루미네이트 염은 하기와 같이 나트륨 할라이드 및 알루미늄 트리할라이드의 비율로 표현될 수 있다:The sodium haloaluminate salts disclosed herein can be represented by the ratio of sodium halide and aluminum trihalide as follows:

NaX + AlX3 ↔ NaAlX4 NaX + AlX 3 ↔ NaAlX 4

여기서 X는 Cl, Br 및 I에서 선택된 할로겐이다.Wherein X is a halogen selected from Cl, Br and I.

NaX:AlX3의 비율이 1:1이면, 나트륨 할로알루미네이트는 "중성"으로 여겨진다. 초과의 AlX3이 존재하면, 혼합물은 "산성"으로 여겨진다. 초과의 NaX가 존재하면, 혼합물은 "염기성"으로 여겨진다.NaX: AlX 3 ratio of 1: 1 is, is considered to be "neutral" halo sodium aluminate. When AlX 3 is present in excess, the mixture is regarded as the "acidic". If excess NaX is present, the mixture is considered "basic &quot;.

니켈 브로마이드와 같은 금속 할라이드를 사용하는 것의 한 장점은, 현재 공개된 발명에서 양극은 <200 ℃ 온도에서 금속 (니켈) 클로라이드 시스템에서 발견되는 덴드라이트(dendrite)의 경감 때문에 장기간 동안 사이클링 할 수 있는 능력이다. 또한 이하 논의되는 β"-알루미나보다 더 나은 저온(<200 ℃) 전도도를 갖는 NaSICON 막의 활용은 공개된 발명의 나트륨-니켈 브로마이드 배터리의 실질적인 전류/전압 거동을 달성하게 한다.One advantage of using metal halides such as nickel bromide is that in the presently disclosed invention, the anode has the ability to cyclize over a long period of time due to the alleviation of the dendrite found in the metal (nickel) chloride system at < to be. The use of NaSICON membranes with better lower temperature (&lt; 200 [deg.] C) conductivity than the beta "-alumina discussed below also achieves substantial current / voltage behavior of the sodium-nickel bromide batteries of the disclosed invention.

공개된 발명은 약 100 ℃ 내지 약 250 ℃의 작동 온도에서 기능하는 용융된 나트륨-금속 할라이드 이차 전지를 제공한다. 기술한 전지는 임의의 적합한 구성요소를 포함할 수 있는 반면, 도 1은 용융된 나트륨 이차 전지(10)가 나트륨 금속 음극(20)을 포함하는 음극 구획(15) 및 양극을 포함하는 양극 구획(25)을 포함하는 대표적 실시양태를 보여준다. 양극은 집전 장치(30) 및 나트륨 할로알루미네이트 염(NaAlCl4, NaAlBr4 및 NaAlI4)의 용융된 공융 혼합물을 포함하는 양극 전해질(35)에 배치된 Ni, Zn 및 Fe에서 선택된 금속을 포함한다. 나트륨 이온 전도성 전해질 막(40)은 음극을 양극 및 양극 전해질(35)로부터 분리시킨다. 나트륨 이온 전도성 전해질 막(40)은 제1 단자(45)를 제2 단자(50)로부터 분리시킨다. 기재된 전지(10)에 대한 보다 나은 이해를 제공하기 위해, 전지가 어떻게 기능하는지에 대한 간단한 설명을 아래 제공한다. 이러한 논의에 이어, 도 1에 보여지는 전지의 각 구성요소에 대해 더 상세히 논의한다.The disclosed invention provides a molten sodium-metal halide secondary battery that operates at an operating temperature of from about 100 ° C to about 250 ° C. 1 illustrates that the molten sodium secondary battery 10 comprises a cathode compartment 15 comprising a sodium metal cathode 20 and a cathode compartment 15 comprising a cathode 25). &Lt; / RTI &gt; The anode comprises a metal selected from Ni, Zn and Fe disposed in a positive electrode electrolyte 35 comprising a current collector 30 and a molten eutectic mixture of sodium haloaluminate salts (NaAlCl 4 , NaAlBr 4 and NaAlI 4 ) . The sodium ion conductive electrolyte membrane 40 separates the negative electrode from the positive electrode and the positive electrode electrolyte 35. The sodium ion conductive electrolyte membrane 40 separates the first terminal 45 from the second terminal 50. In order to provide a better understanding of the described battery 10, a brief description of how the battery functions is provided below. Following this discussion, each component of the battery shown in Figure 1 will be discussed in more detail.

이제 용융 나트륨 이차 전지(10)가 기능하는 방식을 보면, 전지는 사실상 임의의 적합한 방식으로 기능할 수 있다. 한 예에서, 도 1은 전지(10)가 방전되고 전자 (e-)가 음극(20)으로부터 흐를 때 (예, 제1 단자(45)를 통해), 나트륨이 음극(20)으로부터 산화되어 나트륨 이온 (Na+)을 형성하는 것을 나타낸다. 도 1은 이들 나트륨 이온이 각각 나트륨 음극(20)으로부터, 나트름 이온 전도성 막(40)을 통해, 양극 전해질(35)로 수송되는 것을 나타낸다.In view of the way in which the molten sodium secondary battery 10 now functions, the battery can function in virtually any suitable manner. In one example, Figure 1 illustrates a battery 10 is discharged and electron (e -) that it flows from the cathode 20 (e. G., A first terminal 45 a via), sodium sodium is oxidized from the cathode (20) Ion (Na &lt; + & gt ; ). 1 shows that these sodium ions are respectively transported from the sodium cathode 20 to the anode electrolyte 35 through the sodium ion conductive membrane 40.

대비되는 예에서, 도 2는 이차 전지(10)가 재충전되고 전자 (e-)가 충전기와 같은 외부 전원 (나타내지 않음)으로부터 나트륨 음극(20)으로 흘러들어감에 따라, 전지(10)가 방전될 때 일어났던 화학 반응 (도 1에 나타난 대로)이 반대로 일어나는 것을 나타낸다. 구체적으로, 도 2는 전지(10)가 재충전됨에 따라, 나트륨 이온 (Na+)이 각각 양극 전해질(35)로부터 전해질 막(40)을 통해, 나트륨 이온이 환원되어 나트륨 금속 (Na)을 형성하는 음극(20)으로 수송되는 것을 나타낸다.In contrast, FIG. 2 shows that as the secondary battery 10 is recharged and electrons e - flow from an external power source (not shown) such as a charger into the sodium cathode 20, the battery 10 is discharged (As shown in FIG. 1) that occurs when the reaction occurs is reversed. Specifically, FIG. 2 shows that as the battery 10 is recharged, sodium ions (Na + ) flow from the anode electrolyte 35 through the electrolyte membrane 40, respectively, and sodium ions are reduced to form the sodium metal (Na) And is transported to the cathode 20.

이제 전지(10)의 다양한 구성요소에 관하여, 전지는 상기 언급된 바와 같이 음극 구획(15) 및 양극 구획(25)을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 두 구획은 전지(10)가 목적한 대로 기능하도록 하는 임의의 적합한 모양일 수 있고 임의의 다른 적합한 특징을 가질 수 있다. 예를 들어, 음극 및 양극 구획은 관형, 직사각형 또는 임의의 다른 적합한 모양일 수 있다. 또한, 두 구획은 서로 임의의 적합한 공간 관계를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 2는 음극 구획(15)과 양극 구획(25)이 서로 인접할 수 있다는 것을 보여주는 반면, 다른 실시양태에서 (나타내지 않음), 두 구획의 내용물이 전해질 막(40) 및 임의의 다른 구획 벽에 의해 분리된 채로, 한 구획 (예, 음극 구획)은 적어도 부분적으로 다른 구획 (예, 양극 구획) 내에 배치된다.With regard to the various components of the battery 10 now, the battery may include a cathode compartment 15 and an anode compartment 25 as mentioned above. In this regard, the two compartments may be of any suitable shape that allows the battery 10 to function as desired and may have any other suitable feature. For example, the cathode and anode compartments may be tubular, rectangular, or any other suitable shape. Also, the two compartments may have any suitable spatial relationship with each other. For example, FIG. 2 shows that the cathode compartment 15 and the anode compartment 25 may be adjacent to each other, while in other embodiments (not shown), the contents of the two compartments may be disposed between the electrolyte membrane 40 and any One compartment (e.g., cathode compartment) is disposed at least partially within another compartment (e.g., the anode compartment) while being separated by another compartment wall.

음극(20)과 관련하여, 전지(10)는 전지(10)가 목적한 대로 기능하도록(예, 방전되고 재충전되도록) 하는 임의의 적합한 나트륨 음극(20)을 포함할 수 있다. 적합한 나트륨 음극 물질의 일부 예에는, 비제한적으로, 실질적으로 순수한 나트륨 샘플 및 임의의 다른 적합한 나트륨-함유 음극 물질을 포함하는 나트륨 합금이 포함된다. 그러나, 특정 실시양태에서, 음극은 실질적으로 순수한 일정량의 나트륨을 포함하거나 이로 이루어진다. 이러한 실시양태에서, 순수한 나트륨의 용융점이 약 98 ℃이므로, 나트륨 음극은 그 온도 초과에서 용융될 것이다.In connection with the cathode 20, the battery 10 may include any suitable sodium cathode 20 that allows the battery 10 to function (e.g., discharge and recharge) as desired. Some examples of suitable sodium cathode materials include, but are not limited to, sodium alloys comprising a substantially pure sodium sample and any other suitable sodium-containing cathode material. However, in certain embodiments, the cathode comprises or consists of a substantially pure amount of sodium. In this embodiment, since the melting point of pure sodium is about 98 占 폚, the sodium anode will melt above its temperature.

양극 집전 장치(30)와 관련하여, 양극 구획(25)은 전지가 목적한 대로 충전되고 방전되도록 하는 임의의 적합한 양극을 포함할 수 있다. 예를 들어, 양극은, 나트륨 할로알루미네이트 염의 용융된 공융 혼합물을 포함하는 양극 전해질(35) 중, 도 1 및 2에 일반적으로 "M"으로 보여지는 금속과 조합으로 사실상 임의의 집전 장치(30)를 포함할 수 있다. 일부 비제한적인 실시양태에서, 금속 ("M")은 Ni, Zn 및 Fe에서 선택된다. 일부 비제한적인 실시양태에서, 양극 집전 장치는 와이어, 펠트, 판, 관, 메쉬, 포옴 및(또는) 다른 적합한 집전 장치 구성을 포함할 수 있다.With respect to the positive electrode collector device 30, the positive electrode compartment 25 may comprise any suitable positive electrode to allow the battery to be charged and discharged as desired. For example, the anode can be any of the anode electrolytes 35 comprising a molten eutectic mixture of sodium haloaluminate salts, in virtually any collector 30 (in combination with metals generally seen as "M & ). In some non-limiting embodiments, the metal ("M") is selected from Ni, Zn, and Fe. In some non-limiting embodiments, the positive electrode collector may comprise wire, felt, plate, tube, mesh, foam and / or other suitable power collector configurations.

일부 비제한적인 실시양태에서, 반응은 음극 및 양극에서 일어날 수 있고, 전지(10)가 방전됨에 따른 전체 반응은 아래에 나타낸 바와 같이 일어날 수 있다:In some non-limiting embodiments, the reaction can occur at the cathode and anode, and the overall reaction as the cell 10 is discharged can occur as shown below:

음극 2Na ↔ 2Na+ + 2e- Cathode 2Na ↔ 2Na + + 2e -

양극 M(X)2 + 2e- ↔ M + 2X- The anode M (X) 2 + 2e - ↔ M + 2X -

전체 2Na + M(X)2 ↔ M + 2NaXTotal 2Na + M (X) 2? M + 2NaX

여기서 X는 Cl, Br 및 I에서 선택된 할로겐이다. 게다가, 음극 및 양극에서 일어날 수 있는 전체반응과 전지(10)이 충전(또는 재충전)되는 동안 일어날 수 있는 전체 반응의 일부 예는 아래에 나타낸 바와 같이 일어날 수 있다:Wherein X is a halogen selected from Cl, Br and I. In addition, some examples of the overall reaction that can occur at the cathode and anode and the total reaction that can occur during charging (or recharging) of the battery 10 can occur as shown below:

음극 2Na+ + 2e- ↔ 2NaCathode 2Na + + 2e - 2Na

양극 M + 2X- ↔ M(X)2 + 2e- Anode M + 2X - ↔ M (X) 2 + 2e -

전체 M + 2NaX ↔ 2Na + M(X)2 All M + 2NaX ↔ 2Na + M (X) 2

상기 반응은 M이 2가의 산화 상태(M2+)를 갖는 것을 보여주지만, 양극은 1가, 3가, 4가 또는 다른 산화 상태를 갖는 금속을 포함할 수 있다.The reaction shows that M has a divalent oxidation state (M 2+ ), but the anode can comprise a metal having a monovalent, trivalent, tetravalent or other oxidation state.

나트륨 할로알루미네이트 염의 용융된 공융 혼합물을 포함하는 양극 전해질(35)은 전지(10)가 목적한 대로 기능하도록 하는 좋은 나트륨 이온 전도도를 갖는 것으로 밝혀졌다. 양극 전해질(35)은 전해질 막(40)보다 더 높은 나트륨 이온 전도도를 갖도록 의도되었다. 나트륨 할로알루미네이트 염의 용융된 공융 혼합물의 나트륨 전도도는 약 200 mS/cm 내지 500 mS/cm 범위이다. NaSICON 전도도는 150 ℃ 내지 200 ℃의 전지 작동 온도에서 약 80 내지 약 220 mS/cm 범위일 수 있다.A positive electrode electrolyte 35 comprising a molten eutectic mixture of a sodium haloaluminate salt has been found to have good sodium ion conductivity that allows the cell 10 to function as desired. The positive electrode electrolyte 35 was intended to have a higher sodium ion conductivity than the electrolyte membrane 40. The sodium conductivity of the molten eutectic mixture of the sodium haloaluminate salt ranges from about 200 mS / cm to 500 mS / cm. The NaSICON conductivity may range from about 80 to about 220 mS / cm at a cell operating temperature of 150 [deg.] C to 200 [deg.] C.

이제 나트륨 이온 전도성 전해질 막(40)과 관련하여, 막은 나트륨 이온을 선택적으로 수송하고 전지(10)가 용융된 나트륨 음극 및 양극 전해질과 함께 기능하도록 하는 임의의 적합한 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전해질 막은 NaSICON-형 (나트륨 초이온 전도성(sodium Super Ion CONductive)) 물질을 포함한다. 이러한 실시양태에서, NaSICON-형 물질은 기재된 전지(10)와 사용하기에 적합한 임의의 공지된 또는 신규한 NaSICON-형 물질을 포함할 수 있다. NaSICON-형 조성물의 일부 비제한적인 예에는, 비제한적으로, Na3Zr2Si2PO12, Na1+xSixZr2P3-xO12 (여기서, x는 1.6 내지 2.4로부터 선택됨), Y-도핑된 NaSICON (Na1+x+yZr2-yYySixP3-xO12, Na1 + xZr2 - yYy SixP3 - xO12 -y (여기서, x = 2, y = 0.12임)) 및 Fe-도핑된 NaSICON (Na3Zr2/3Fe4/3P3O12)이 포함된다. 실제로, 특정 실시양태에서, NaSICON-형 막은 Na3Si2Zr2PO12를 포함한다. 또 다른 실시양태에서, NaSICON-형 막은 공지된 또는 신규한 복합, 서멧-지지(cermet-supported) NaSICON 막을 포함한다. 이러한 실시양태에서, 복합 NaSICON 막은, 비제한적으로, NiO/NaSICON 또는 임의의 다른 적합한 서멧 층을 포함하는 다공성 NaSICON-서멧 층 및 조밀한 NaSICON 층을 포함하는 임의의 적합한 구성요소를 포함할 수 있다. 또한 다른 실시양태에서, NaSICON 막은 단사정계의 세라믹을 포함한다.Now with regard to the sodium ion conductive electrolyte membrane 40, the membrane may comprise any suitable material that selectively transports sodium ions and allows the cell 10 to function with the molten sodium and anodic electrolytes. In some embodiments, the electrolyte membrane comprises a NaSICON-type (sodium Super Ion Conductive) material. In this embodiment, the NaSICON-type material may comprise any known or novel NaSICON-type material suitable for use with the described battery 10. Some non-limiting examples of NaSICON-type compositions include, but are not limited to, Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 , Na 1 + x Si x Zr 2 P 3 -x O 12 where x is selected from 1.6 to 2.4, , Y- doped NaSICON (Na 1 + x + y Zr 2-y Y y Si x P 3-x O 12, Na 1 + x Zr 2 - y Y y Si x P 3 - x O 12 -y ( where , include x = 2, y = 0.12 Im)) and Fe- doped NaSICON (Na 3 Zr 2/3 Fe 4/3 P 3 O 12). Indeed, in certain embodiments, the NaSICON-type film comprises Na 3 Si 2 Zr 2 PO 12 . In another embodiment, the NaSICON-type film comprises a known or novel composite, cermet-supported NaSICON film. In such embodiments, the composite NaSICON film may comprise any suitable component including, but not limited to, a porous NaSICON-cermet layer comprising NiO / NaSICON or any other suitable cermet layer and a dense NaSICON layer. In yet another embodiment, the NaSICON film comprises monoclinic ceramics.

전지의 전해질 막(40)이 NaSICON-형 물질을 포함하는 경우, NaSICON-형 물질은 전지(10)에 여러 유익한 특징을 제공할 수 있다. 한 예에서, 이러한 막이 나트륨 이온을 선택적으로 수송하지만 음극(20)과 양극 전해질(35)이 섞이게 하지 않으므로, 이러한 막은 전지가 최소의 용량 감소를 가지고 상온에서 상대적으로 안정한 저장 수명을 가지도록 도울 수 있다.When the electrolyte membrane 40 of the battery contains a NaSICON-type material, the NaSICON-type material can provide various beneficial characteristics to the battery 10. [ In one example, this membrane selectively transports sodium ions, but does not allow the cathode 20 and the anode electrolyte 35 to mix, so that the membrane can help the cell to have a relatively stable shelf life at room temperature with minimal capacity loss have.

이제 단자(45) 및 (50)와 관련하여, 전지(10)는 전지를 하나 이상의 전지를 비제한적으로 포함하는 외부 회로와 전기적으로 연결할 수 있는 임의의 적합한 단자를 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 단자는 임의의 적합한 물질을 포함할 수 있고, 임의의 적합한 크기의 임의의 적합한 모양일 수 있다.With reference now to terminals 45 and 50, the battery 10 may include any suitable terminal that is capable of electrically connecting the battery to an external circuit including, but not limited to, one or more batteries. In this regard, the terminal may comprise any suitable material and may be any suitable shape of any suitable size.

앞서 언급한 구성요소에 부가적으로, 전지(10)는 임의의 다른 적합한 구성요소를 임의로 포함할 수 있다. 비제한적인 예시로서, 도 2는 전지(10)가열 관리 시스템(55), (60)을 포함하는 한 실시양태를 나타낸다. 독립적인 열 관리 시스템은 음극 및 양극 구획과 연관될 수 있다. 대안적으로, 하나의 열 관리 시스템이 오직 한 구획 내에 또는 전지(10)의 외부 전반에 배치될 수 있다. 이러한 실시양태에서, 전지는 적합한 작동 온도 범위 내에서 전지를 유지시킬 수 있는 임의의 적합한 유형의 열 관리 시스템을 포함할 수 있다. 이러한 열 관리 시스템의 일부 예에는, 비제한적으로, 히터, 쿨러, 하나 이상의 온도 센서 및 적합한 온도 조절 전기회로망이 포함된다.In addition to the aforementioned components, the battery 10 may optionally include any other suitable components. By way of a non-limiting example, FIG. 2 illustrates one embodiment that includes a battery 10 thermal management system 55, 60. An independent thermal management system can be associated with cathode and anode compartments. Alternatively, one thermal management system may be located within only one compartment or across the exterior of the battery 10. In such embodiments, the battery may comprise any suitable type of thermal management system capable of maintaining the battery within a suitable operating temperature range. Some examples of such thermal management systems include, but are not limited to, heaters, coolers, one or more temperature sensors, and suitable temperature control electrical networks.

기재된 전지(10)는 임의의 적합한 작동 온도에서 기능할 수 있다. 환언하면, 전지가 방전 및(또는) 재충전됨에 따라, 나트륨 음극 및 양극 전해질은 임의의 적합한 온도를 가질 수 있다. 음극 및 양극 구획은 동일하거나 상이한 온도에서 작동할 수 있다. 실제로, 일부 실시양태에서, 전지는 약 260 ℃, 약 240 ℃ 및 약 220 ℃로부터 선택되는 온도만큼 높은 작동 온도에서 기능한다. 게다가, 이러한 실시양태에서, 전지가 기능함에 따라, 음극 및(또는) 양극 구획의 온도는 약 160 ℃, 약 170 ℃, 약 180 ℃ 및 약 200 ℃로부터 선택되는 온도 만큼 낮을 수 있다. 실제로, 일부 실시양태에서, 전지가 기능함에 따라, 음극 및(또는) 양극 구획의 온도는 약 160 ℃ 내지 약 260 ℃일 수 있다. 다른 실시양태에서, 전지는 약 180 ℃ 내지 약 220 ℃의 온도에서 기능한다. 그러나, 또 다른 실시양태에서, 전지가 기능함에 따라, 음극 및(또는) 양극 구획의 온도는 약 200℃ ± 약 10℃이다.The described battery 10 may function at any suitable operating temperature. In other words, as the cell is discharged and / or refilled, the sodium cathode and the anode electrolyte may have any suitable temperature. The cathode and anode compartments can operate at the same or different temperatures. Indeed, in some embodiments, the cell functions at an operating temperature as high as a temperature selected from about 260 캜, about 240 캜 and about 220 캜. In addition, in this embodiment, as the cell functions, the temperature of the cathode and / or anode compartment may be as low as selected from about 160 캜, about 170 캜, about 180 캜 and about 200 캜. Indeed, in some embodiments, as the cell functions, the temperature of the cathode and / or anode compartment may be between about 160 캜 and about 260 캜. In another embodiment, the cell functions at a temperature of about 180 ° C to about 220 ° C. However, in another embodiment, as the cell functions, the temperature of the cathode and / or anode compartment is about 200 ° C ± about 10 ° C.

특정 실시양태에서, 온도 범위는 사용되는 전해질의 녹는점에 따라 좌우된다. 예를 들어, 한 실시양태에서, 전지는 적어도 전해질의 녹는점의 10-20 ℃ 초과에서 작동될 수 있다. 전해질은 온도가 증가함에 따라 그것의 전도도도 증가하므로 전해질에 관한 한 필연적으로 상한치가 있지 않다. 한 실시양태에서는, 예컨대, 나트륨이 약 98 ℃에서 녹고 NaAlCl3I 전해질은 약 85 ℃의 녹는점을 갖는다. 따라서 100 ℃만큼 낮은 온도에서 배터리를 작동하는 것이 가능하다.In certain embodiments, the temperature range is dependent on the melting point of the electrolyte used. For example, in one embodiment, the cell may be operated at a temperature of at least 10-20 DEG C above the melting point of the electrolyte. As the electrolyte increases its conductivity as the temperature increases, there is inevitably no upper limit for the electrolyte. In one embodiment, for example, sodium is dissolved in about 98 ℃ NaAlCl 3 I electrolyte has a melting point of about 85 ℃. It is therefore possible to operate the battery at temperatures as low as 100 ° C.

하기 실시예는 본 발명의 범주 내의 및 이의 측면의 다양한 실시양태를 예시하기 위한 것이다. 이들은 오직 예시로서 주어지고, 다음의 실시예는 본 발명에 따라 제조될 수 있는 본 발명의 많은 유형의 실시양태를 포괄하거나 총괄하지는 않는 것으로 이해된다.The following examples are intended to illustrate various embodiments within the scope of the present invention and aspects thereof. It is understood that these are given by way of example only, and the following examples do not cover or encompass many types of embodiments of the invention which may be made in accordance with the present invention.

실시예Example 1 One

본원에서 공개된 실시예에서 사용된 용융된 나트륨-금속 브로마이드 이차 전지의 제조는 하기와 같을 수 있다: NaSICON (Na 초이온 전도체(Na Super Ionic Conductor)) 고체 전해질 막은 유리관 (또는 알루미나 튜브)에 유리 밀봉되고 용융 상태의 나트륨 금속(음극)으로 채워져 있다. 스테인리스 스틸 또는 Ni 또는 Mo 금속 집전 장치 봉(rod)은 음극과 전기적 접촉을 제공하기 위하여 나트륨 금속에 잠겨진다. 유리관은 그것을 걸고 유리병 내의 공간에 유지하기 위하여 유리관 둘레를 단단히 밀봉해줄 뚜껑을 갖춘 또 다른 유리병 안쪽에 놓여진다.The preparation of the molten sodium-metal bromide secondary cell used in the examples disclosed herein may be as follows: NaSICON (Na Super Ionic Conductor) The solid electrolyte membrane is placed in a glass tube (or alumina tube) It is filled with a sealed and molten sodium metal (cathode). A stainless steel or Ni or Mo metal current collector rod is submerged in sodium metal to provide electrical contact with the cathode. The glass tube is placed inside another glass bottle with a lid that tightly seals the glass tube to hang it and keep it in the space inside the glass bottle.

불용성 양극은 NaSICON 막 반대편 쪽 병 안에 위치한다. 불용성 양극은 Ni 금속 입자를 NaBr 분말과 철저히 혼합한 후 펠릿으로 프레싱시킴에 의하여 제조된다. 양극의 다공성은 15 내지 70 %의 범위 내, 바람직하게는 35 내지 55 %의 범위 내이다. 니켈 또는 봉, 메쉬 또는 다른 적합한 형태의 탄소 집전 장치는 양극과 전기적 접촉을 제공하기 위해 사용된다. NaBr의 초기의 양을 기초로 본 실시예에서 사용된 양극의 이론적인 용량은 약 200 mAh이다. 한 실시양태에서, Ni의 초기의 양은 1.31 g일 수 있고 NaBr의 초기의 양은 0.77 g일 수 있다.Insoluble anodes are located in the bottle opposite the NaSICON membrane. The insoluble anodes are prepared by thoroughly mixing Ni metal particles with NaBr powder and pressing them with pellets. The porosity of the anode is in the range of 15 to 70%, preferably in the range of 35 to 55%. Nickel or rods, mesh or other suitable forms of carbon current collector are used to provide electrical contact with the anode. Based on the initial amount of NaBr, the theoretical capacity of the anode used in this example is about 200 mAh. In one embodiment, the initial amount of Ni can be 1.31 g and the initial amount of NaBr can be 0.77 g.

용융된 염 전해질을 포함하는 양극 부분은 직경(이를 관통하여 Na 이온이 전도되는 활성 구역) 0.72 cm의 NaSICON 고체 전해질 막에 의하여 음극 부분으로부터 분리되고 0.1 cm 두께를 갖는다.The anode portion containing the molten salt electrolyte is separated from the cathode portion by a NaSICON solid electrolyte membrane of 0.72 cm in diameter (an active region through which Na ions are conducted) and has a thickness of 0.1 cm.

실시예Example 2 2

NaAlBr4 + NaAlI4 (또는 NaAlCl4) 용융된 염 전해질의 몇몇 다른 혼합물은 양극이 전해질 안에 잠겨지도록 실시예 1에서 기재된 병 안에 놓여진다. 이 전해질은 나트륨 이온을 고체 전해질로부터 양극 내의 금속 브로마이드 반응 위치까지 전도하는 역할을 한다. 혼합된 NaAlBr4 + NaAlI4 (또는 NaAlCl4) 용융된 염 전해질은 공융형이고 혼합의 조성물에 따라 150 ℃ - 180 ℃의 온도 범위에서 용융된다. 이러한 녹는점은 하기 표 1에서 보여지는 것과 같이 각각의 염보다 낮다. 표 1은 또한 단일 화합물과 함께 NaAlBr4 및 NaAlI4의 다양한 비율에서의 세 가지의 다른 혼합의 녹는점을 보여준다. NaAlBr4가 많은 조성물(조성물 2 또는 3)은 본원 배터리의 작동에 선호된다. 구체적으로 하기 표에서 3열에 나타난 초과의 나트륨 할라이드(NaBr:NaI의 3:1 비율에서)와 NaBr:AlBr3:NaI:AlI3 35:35:15:15를 혼합하여 만들어진 NaAlBr2 . 8I1 .2의 조성물에 대응하는 조성물 3은 공개된 배터리의 작동에서 사용되었다. 구체적으로, 초과의 NaBr 0.91 몰 및 NaI 0.39 몰은 본원 실시예에서 사용된 NaAlBr2 . 8I1 .2의 몰당 첨가되었다.Several other mixtures of NaAlBr 4 + NaAlI 4 (or NaAlCl 4 ) molten salt electrolytes are placed in the bottle described in Example 1 so that the anode is immersed in the electrolyte. This electrolyte serves to conduct sodium ions from the solid electrolyte to the reaction site of the metal bromide in the anode. Mixed NaAlBr 4 + NaAlI 4 (or NaAlCl 4 ) The molten salt electrolyte is eutectic and melts in the temperature range of 150 ° C to 180 ° C depending on the composition of the mixture. These melting points are lower than the respective salts as shown in Table 1 below. Table 1 also shows the melting points of three different mixtures at various ratios of NaAlBr 4 and NaAlI 4 with a single compound. NaAlBr 4 a number of compositions (compositions 2 or 3) is preferred to operate the present battery. To specifically sodium of greater than shown in Table 3, column halide (NaBr: 3 of NaI: 1 ratio) and NaBr: AlBr 3: NaI: AlI 3 35: 35: 15: made by mixing 15 NaAlBr 2. 8 I 3 corresponding to the composition of the first composition 0.2 was used in the disclosed battery operation. Specifically, 0.91 moles NaBr, and NaI 0.39 molar excess is a NaAlBr used herein in Example 2. 8 I 1 .2 .

Figure pct00001
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초과의 나트륨 브로마이드 및 나트륨 아이오다이드의 첨가의 목적은 다섯 가지가 있다:There are five purposes for the addition of excess sodium bromide and sodium iodide:

[1] 니켈 할라이드의 용해도는 니켈-니켈 할라이드 캐소드의 높은 충전 및 방전율을 달성하기 위하여 용융된 염 전해질에서 최소화되어야 한다. 전해질의 과포화 상태는 니켈 할라이드의 용해도를 더욱 감소시키고 충전/방전 과정 동안에 Ni에서 NiX2 (본원 실시예에서는 NiBr2)로의 전환의 빠른 고체 상 가역 전극 반응속도를 가질 수 있게 한다.[1] The solubility of nickel halide must be minimized in the molten salt electrolyte to achieve high charge and discharge rates of nickel-nickel halide cathodes. Supersaturation of the electrolyte makes it possible further reduce the solubility of nickel halide and may have a rapid solid-phase reversible electrode reaction rate of the transition to NiX 2 from Ni during the charge / discharge process (the present embodiment example, NiBr 2).

[2] 중성 나트륨 할로알루미네이트 용액(여기서 단일 또는 혼합된 할로겐이 존재하는지와 상관없이 NaX:AlX3의 비는 1:1, 예컨대 NaAlBr2 . 8I1 . 2)의 활용은 충전 과정 동안에 전해질이 나트륨을 잃음에 따라 산성 환경(즉, NaX 부족)에서 니켈 할라이드의 용해도가 상당히 올라가는 위험 요소가 존재한다. 비록 용액이 처음에는 중성일 수 있지만, 전해질 안에 산성이 되는 일부 구역이 있을 수 있다. 이는 그것의 형성 후 캐소드로부터 나트륨 할라이드(본원 실시예에서는 NaBr)의 고갈 때문에 캐소드의 용량의 손실을 초래한다. 니켈 할라이드 용해도는 또한 산성 나트륨 할로알루미네이트 용액에서 더 높다. 초과의 나트륨 할라이드를 전해질에 첨가하는 것은 캐소드로부터 NaBr 및 NiBr2가 고갈되는 것을 막는다.[2] Neutral sodium halo aluminate solution utilized (where the single or mixed, whether the halogen is present NaX:: ratio of AlX 3 is 1: 1, for example NaAlBr 2 8 I 1 2) is the electrolyte during the charging process, As this sodium is lost, there is a risk that the solubility of the nickel halide in the acidic environment (ie, lack of NaX) increases significantly. Although the solution may initially be neutral, there may be some zones that become acidic in the electrolyte. Which results in the loss of the capacity of the cathode due to depletion of the sodium halide (NaBr in this example) from the cathode after its formation. The nickel halide solubility is also higher in the acidic sodium halohaluminate solution. The addition of sodium halide in excess in the electrolyte prevents the NaBr and NiBr 2 is exhausted from the cathode.

[3] 그것을 과충전함에 의하여 캐소드의 용량을 증가시킬 수 있다는 가능성이 있다. 전해질에서의 초과의 Na 할라이드는 과충전 후 전극에서 새로운 니켈 할라이드가 형성되도록 한다. 이것은 장기적인 사이클링 동안에 캐소드의 배터리 용량 보유를 유지하는 것에 도움이 된다.[3] There is a possibility that the capacity of the cathode can be increased by overcharging it. The excess Na halide in the electrolyte causes the formation of a new nickel halide at the electrode after overcharging. This helps maintain the cathode's battery capacity retention during long-term cycling.

[4] 공개된 발명은 "매우 염기성의" 전해질을 활용하는 반면에 지브라 배터리는 이웃하는 중성/약간 염기성의 나트륨 클로로알루미네이트 캐솔라이트(catholyte)를 활용한다. 중성의 전해질 대 초과의 염을 갖는 염기성 전해질에 있는 액상 조성물 간에는 상당한 차이가 있을 수 있다. 액상 조성물에서 전해질의 두 유형 간의 차이가 배터리의 더 나은 성능으로 이어지게 하는 것은 가능하다. 비제한적인 실시예로서, 약간 염기성의 전해질은 약 50.1 % 내지 53 %의 나트륨 할라이드를 포함할 수 있다. 매우 염기성의 전해질은 나트륨 할라이드가 약 55 %보다 많은(예컨대 55:45 NaX:AlX3) 것이 될 수 있다. 한 실시양태에서, 초과의 나트륨 할라이드 염은 70:30 (NaX:AlX3)의 비율에 있다.[4] While the disclosed invention utilizes a "very basic" electrolyte, the Zebra battery utilizes a neat / slightly basic sodium chloride sodium aluminate catholyte. There can be significant differences between the liquid compositions in the basic electrolyte having a salt of more than neutral electrolyte. It is possible that the difference between the two types of electrolytes in the liquid composition leads to a better performance of the battery. As a non-limiting example, a slightly basic electrolyte may comprise about 50.1% to 53% sodium halide. A very basic electrolyte may have a sodium halide greater than about 55% (e.g., 55:45 NaX: AlX3). In one embodiment, the excess sodium halide salt is in a ratio of 70:30 (NaX: AlX3).

[5] 미국 출원 No. 2014/0170443A1에서 공개되었듯이, 전해질에 초과의 나트륨 할라이드를 갖는 것은 배터리 작동의 수명을 증가시키는 NaSICON 막의 더 높은 부식 방지 온도를 제공할 것이다. NaX 용액에서 NaSICON의 높은 온도 안정성은 NaI>NaBr>NaCl의 순서를 따른다.[5] U.S. application no. As disclosed in 2014 / 0170443A1, having an excess of sodium halide in the electrolyte will provide a higher anti-corrosion temperature of the NaSICON film which increases the lifetime of the battery operation. The high temperature stability of NaSICON in NaX solution follows the order of NaI> NaBr> NaCl.

실시예Example 3 3

실시예 1에 기재된 충전/방전 동안에 니켈 금속 양극의 용융된 나트륨-금속 브로마이드 이차 전지에서의 전극 반응은 하기와 같다:The electrode reaction in a molten sodium-metal bromide secondary cell of a nickel metal anode during charge / discharge as described in Example 1 is as follows:

NiBr2 + 2Na → Ni + 2NaBr 약 180 ℃에서 E0 = 2.48 VNiBr 2 + 2Na? Ni + 2NaBr At about 180 ° C, E 0 = 2.48 V

전지는 양극의 초기의 조성물이 Ni 금속 및 나트륨 브로마이드인 방전 상태에서 제조된다. 전지는 초과의 NaBr을 포함하는 7:3 NaAlBr4:NaAlI4 (35:35:15:15 NaBr:AlBr3:NaI:AlI3 ~ NaAlBr2 . 8I1 . 2)의 혼합물을 포함하는 양극 전해질을 포함한다. 도 3은 185 ℃에서 작동되었을 때 전지의 사이클링 거동을 보여준다. 전지는 우선 C/10 레이트(rate)(양극의 200 mAh 용량을 기초로)에서 60 %의 충전 상태(state of charge(SOC))로 충전되고 그 후 60 내지 40 % SOC (20 % 방전 심도)의 충전 상태 범위에서 사이클링이 시작된다. 충전-방전 C-레이트는 NaSICON 막 구역의 평방 cm 당 100 mA의 전류 밀도에 대응하여 전지가 C/3 레이트에서 사이클링할 때까지 계속하여 증가한다.The cell is manufactured in a discharge state in which the initial composition of the anode is Ni metal and sodium bromide. Cells 7 containing NaBr of excess: 3 NaAlBr 4: NaAlI 4 positive electrolyte comprising a mixture of (35: 35: 15: 15 NaBr: AlBr 3:: NaI.. AlI 3 ~ NaAlBr 2 8 I 1 2) . Figure 3 shows the cycling behavior of the cell when operated at 185 ° C. The cell is first charged to a 60% state of charge (SOC) at a C / 10 rate (based on the 200 mAh capacity of the anode) and then 60-40% SOC (20% The cycling starts in the charging state range of FIG. The charge-discharge C-rate continues to increase until the cell cycles at the C / 3 rate, corresponding to a current density of 100 mA per square cm of NaSICON film area.

도 3은 이 C/3 레이트에서 100 사이클 동안 전지가 작동한 것을 보여준다. 100 사이클 후 전지는 91 사이클 더 같은 전류 밀도에서 60 내지 20 %의 더 넓은 충전 상태(SOC) 범위에서 추가로 사이클링 되었다. 196.6 시간에서 임의적으로 선택된 사이클의 상세한 충전/방전 곡선은 도 4에 보여진다. 이 사이클 데이터의 분석은 약 100 %의 쿨롱 효율(columbic efficiency) 및 83.1 %의 에너지 효율을 보여준다. 충전 및 방전을 위한 막 구역에 표준화(normalized)된 평균 면비저항(Area Specific Resistance(ASR))은 각각 2.3 V 및 2.17 V이다.Figure 3 shows that the cell was operated for 100 cycles at this C / 3 rate. After 100 cycles, the cell was further cycled at a current density of 91 cycles at a wider charge state (SOC) range of 60 to 20%. The detailed charge / discharge curve of the cycle arbitrarily selected from 196.6 hours is shown in FIG. Analysis of this cycle data shows a columbic efficiency of about 100% and an energy efficiency of 83.1%. The area specific resistance (ASR) normalized to the membrane area for charge and discharge is 2.3 V and 2.17 V, respectively.

두 번째 전지는 상기한 바와 같은 방식으로 제조되며 더 높은 충전 상태(SOC) 범위(90 - 10 %)에서, 즉 더 높은 방전 심도(약 80 %)에서 작동되었고 작동 결과 데이터는 도 5에서 보여진다. 이 전지의 전류 효율은 전지가 작동한 93+ 사이클을 넘어 실질적인 쿨롱 효율을 나타내는 > 98 %였다. 실시예 전지 모두의 에너지 효율은 80 %를 초과하였다.The second cell was manufactured in the manner described above and was operated at a higher charge state (SOC) range (90-10%), i.e. at a higher discharge depth (about 80%) and the operating result data is shown in Figure 5 . The current efficiency of this cell was> 98%, which represents a substantial coulombic efficiency beyond the 93+ cycles in which the cell operated. The energy efficiency of all of the example cells exceeded 80%.

본원 발명의 구체적 실시양태 및 실시예가 나타나고 기재되었긴 하지만, 수많은 변경이 발명의 의미로부터 크게 벗어남이 없이 떠오르며, 보호범위는 수반하는 청구항의 범위에 의하여서만 제한된다.While specific embodiments and examples of the invention have been shown and described, numerous modifications will come to mind without departing from the scope of the invention in any way, and the scope of protection is limited only by the scope of the claims which follow.

Claims (20)

용융 상태의 금속 나트륨을 포함하는 음극;
화학식 NaAlX'4 - δX"δ (여기서, 0 <δ< 4이고, X' 및 X"은 Cl, Br 및 I에서 선택된 다른 할로겐임)로 표현될 수 있는 두 개 이상의 염을 포함하는 혼합 용융된 염 양극 전해질 중에 배치되고, NaX 및 MX (여기서, X는 Cl, Br 및 I에서 선택된 할로겐이고, M은 Ni, Fe 및 Zn에서 선택된 금속임)의 혼합물을 포함하는 양극; 및
음극 및 양극 간에 제공된 나트륨 이온 전도성 고체 전해질을 포함하는 재충전 가능한 나트륨 배터리.
A negative electrode comprising metal sodium in a molten state;
Formula NaAlX '4 - δ X "δ ( and where, 0 <δ <4, X ' and X" is a different halogen being selected from Cl, Br and I) mixed melt containing two or more salts, which may be represented as A cathode comprising a mixture of NaX and MX, wherein X is a halogen selected from Cl, Br and I, and M is a metal selected from Ni, Fe and Zn; And
A sodium ion rechargeable sodium battery comprising a sodium ion conductive solid electrolyte provided between a cathode and an anode.
제1항에 있어서, 혼합 용융된 염 양극 전해질은 다양한 몰 비의 일반식 NaAlX'4 및 NaAlX"4를 갖는 두 개 이상의 염을 포함하는 것인 재충전 가능한 나트륨 배터리.The rechargeable sodium battery according to claim 1, wherein the mixed molten salt cathode electrolyte comprises two or more salts having various molar ratios of the general formula NaAlX ' 4 and NaAlX " 4 . 제2항에 있어서, NaAlX'4 대 NaAlX"4의 몰 비는 9:1 내지 1:9의 범위 내이고, 대응되는 δ값이 0.4 내지 3.6인 재충전 가능한 나트륨 배터리.The method of claim 2, wherein the NaAlX ' 4 Wherein the molar ratio of NaAlX " to NaAlX " 4 is in the range of 9: 1 to 1: 9 and the corresponding delta value is between 0.4 and 3.6. 제1항에 있어서, 양극은 혼합 용융된 염 양극 전해질에 1:1 내지 3:1의 범위의 NaX : NaAlX'4 - δX"δ 몰 비로 첨가된 추가적인 NaX 또는 NaX 화합물의 혼합물을 포함하는 것인 재충전 가능한 나트륨 배터리.The method of claim 1, wherein the anode comprises a mixture of additional NaX or NaX compounds added to the mixed molten salt anodic electrolytes in a molar ratio of NaX: NaAlX ' 4 - delta X " delta ranging from 1: 1 to 3: 1 Rechargeable sodium battery. 제4항에 있어서, 양극 및 혼합 용융된 염 양극 전해질은 용융된 액체 또는 두 가지 상의 혼합물이며, 여기서 혼합 용융된 염 양극 전해질은 대개 액상이고 추가적인 NaX 또는 NaX 화합물의 혼합물은 고체 상인 재충전 가능한 배터리.5. The rechargeable battery of claim 4 wherein the anodic and mixed molten salt anodic electrolytes are molten liquid or a mixture of two phases wherein the mixed molten salt anodic electrolyte is usually a liquid phase and the additional NaX or NaX compound mixture is a solid phase. 제1항에 있어서, 용융된 염 양극 전해질은 NaAlBr2 . 8I1 .2를 포함하는 것인 재충전 가능한 나트륨 배터리.The method of claim 1, wherein the molten salt is a NaAlBr 2 . 8 I 1 .2 . 제1항에 있어서, NaX는 NaBr을 포함하는 것인 재충전 가능한 나트륨 배터리.The rechargeable sodium battery of claim 1, wherein the NaX comprises NaBr. 제1항에 있어서, MX는 NiBr을 포함하는 것인 재충전 가능한 나트륨 배터리.The rechargeable sodium battery of claim 1, wherein MX comprises NiBr. 제1항에 있어서, 용융된 염 양극 전해질은 NaAlBr2 . 8I1 .2를 포함하고, NaX는 NaBr을 포함하고, MX는 NiBr을 포함하는 것인 재충전 가능한 나트륨 배터리.The method of claim 1, wherein the molten salt is a NaAlBr 2 . 8 I 1 .2 , NaX comprises NaBr, and MX comprises NiBr. 제9항에 있어서, 양극은 혼합 용융된 염 양극 전해질에 1:1 내지 3:1 범위의 NaBr : NaAlBr2 . 8I1 . 2 몰 비로 첨가된 추가적인 NaBr을 포함하는 것인 재충전 가능한 나트륨 배터리.The method of claim 9, wherein the positive electrode is mixed in the first molten salt electrolyte anode: NaBr range of 1: 1 to 3 NaAlBr 2. 8 I 1 . 2 &lt; / RTI &gt; molar ratio. 제10항에 있어서, 나트륨 이온 전도성 고체 전해질은 NaSICON 전해질 물질을 포함하는 것인 재충전 가능한 나트륨 배터리.11. The rechargeable sodium battery of claim 10, wherein the sodium ion conductive solid electrolyte comprises NaSICON electrolyte material. 제1항에 있어서, 나트륨 이온 전도성 고체 전해질은 NaSICON 전해질 물질을 포함하는 것인 재충전 가능한 나트륨 배터리.The rechargeable sodium battery of claim 1, wherein the sodium ion conductive solid electrolyte comprises a NaSICON electrolyte material. 제1항에 있어서, 160 ℃ 내지 220 ℃의 범위의 온도에서 작동하는 재충전 가능한 나트륨 배터리.2. The rechargeable sodium battery of claim 1, wherein the battery operates at a temperature in the range of 160 &lt; 0 &gt; C to 220 &lt; 0 &gt; C. 용융 상태의 금속 나트륨을 포함하는 음극;
화학식 NaAlX'4 -δ- ωX"δX'"ω(여기서, 0 <δ< 4, 0 <ω< 4 및 0 <δ+ω< 4이고, X', X" 및 X'"은 Cl, Br 및 I에서 선택된 세 개의 다른 할로겐임)로 표현될 수 있는 세 개 이상의 염을 포함하는 혼합 용융된 염 양극 전해질 중에 배치되고, NaX 및 MX (여기서, X는 Cl, Br 및 I에서 선택된 할로겐이고, M은 Ni, Fe 및 Zn에서 선택된 금속임)의 혼합물을 포함하는 양극; 및
음극 및 양극 간에 제공된 나트륨 이온 전도성 고체 전해질을 포함하는 재충전 가능한 나트륨 배터리.
A negative electrode comprising metal sodium in a molten state;
Formula NaAlX '4 -δ- ω X "δ X'" ω ( where, 0 <δ <4, 0 <ω <4 and 0 <δ + ω <4 a, X ', X "and X'" is Cl , Br, and I), NaX and MX, wherein X is selected from the group consisting of halogen selected from Cl, Br and I And M is a metal selected from Ni, Fe and Zn); And
A sodium ion rechargeable sodium battery comprising a sodium ion conductive solid electrolyte provided between a cathode and an anode.
제14항에 있어서, 혼합 용융된 염 양극 전해질은 다양한 몰 비의 NaAlCl4, NaAlBr4 및 NaAlI4를 포함하는 것인 재충전 가능한 나트륨 배터리.The method of claim 14 wherein the mixed molten salt electrolyte is the cathode in the rechargeable battery comprises a sodium NaAlCl 4, NaAlBr NaAlI 4 and 4 of different molar ratio. 제14항에 있어서, 양극은 혼합 용융된 염 양극 전해질에 1:1 내지 3:1 범위의 NaX : NaAlX'4 -δ- ωX"δX'"ω 몰 비로 첨가된 추가적인 NaX 또는 NaX 화합물의 혼합물을 포함하는 것인 재충전 가능한 나트륨 배터리.The method of claim 14, wherein the positive electrode is mixed in the first molten salt electrolyte anode: NaX range of 1: 1 to 3 NaAlX '4 -δ- ω X " δ X'" of the additional compound is added NaX or NaX mole ratio ω Lt; RTI ID = 0.0 &gt; rechargeable &lt; / RTI &gt; sodium battery. 제16항에 있어서, 양극 및 혼합 용융된 염 양극 전해질은 용융된 액체 또는 두 가지 상의 혼합물이며, 여기서 혼합 용융된 염 양극 전해질은 대개 액상이고 추가적인 NaX 또는 NaX 화합물의 혼합물은 고체 상인 재충전 가능한 배터리.17. The rechargeable battery of claim 16, wherein the anodic and mixed molten salt anodic electrolytes are molten liquid or a mixture of two phases, wherein the mixed molten salt anodic electrolyte is usually a liquid phase and the additional NaX or NaX compound mixture is a solid phase. 제16항에 있어서, 나트륨 이온 전도성 고체 전해질은 NaSICON 전해질 물질을 포함하는 것인 재충전 가능한 나트륨 배터리.17. The rechargeable sodium battery of claim 16, wherein the sodium ion conductive solid electrolyte comprises NaSICON electrolyte material. 제16항에 있어서, 160 ℃ 내지 220 ℃의 범위의 온도에서 작동하는 재충전 가능한 나트륨 배터리.17. The rechargeable sodium battery of claim 16 operating at a temperature in the range of 160 &lt; 0 &gt; C to 220 &lt; 0 &gt; C. 제16항에 있어서, NaX는 NaBr을 포함하고, MX는 NiBr을 포함하는 것인 재충전 가능한 나트륨 배터리.17. The rechargeable sodium battery of claim 16, wherein NaX comprises NaBr and MX comprises NiBr.
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